煤粉近壁燃燒模型構(gòu)建及液排渣式燃燒器的特性研究.pdf

1、燃油窯爐面臨油價大幅上漲、油料供應緊張的嚴峻態(tài)勢，另一方面，大批中小型燃煤窯爐由于技術(shù)落后，提高效率、控制粉塵、降低NOx及SO2等污染物排放的需求極為迫切，我國眾多的工業(yè)窯爐急需一種高效、低污染又能節(jié)省油氣資源的潔凈煤技術(shù)。在進入“十一五”之際，我國政府提出能源可持續(xù)戰(zhàn)略集中體現(xiàn)在“節(jié)能優(yōu)先、保障供給、結(jié)構(gòu)多元、環(huán)境友好”，開展清潔煤技術(shù)以及“煤代油”技術(shù)的研究與開發(fā)，因而本文的研究具有重要的應用價值和現(xiàn)實意義。 基于液排渣燃

2、燒方式提出的“煤粉低塵燃燒技術(shù)”在提高燃燒效率、降低粉塵排放、控制硫化物和氮氧化物排放方面具有獨特的設計構(gòu)思和燃燒特點，經(jīng)過“九五”國家攻關(guān)項目的支持，已經(jīng)完成了200kg/h燃燒器的冷態(tài)實驗和一部分熱態(tài)試驗，體現(xiàn)了良好的開發(fā)價值和應用前景，但在燃燒器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、保證液排渣特性的制約條件、熱效率提高、多級燃燒配置等多方面還存在許多未解決問題，需要對于燃燒器有更深入和系統(tǒng)的研究。由于煤粉燃燒器的熱態(tài)試驗投資大而且高溫燃燒場的觀察和測試手段

3、復雜、困難大，單純依靠熱態(tài)試驗難以對新型燃燒技術(shù)的進一步改進和完善提出合理有效的措施，因而本研究采用以數(shù)值模擬為主的手段對液排渣燃燒器內(nèi)相關(guān)理論模型和燃燒特性進行研究。 本文首先采用STAR-CD軟件為計算平臺，對液排渣燃燒器內(nèi)的燃燒特性進行數(shù)值模擬。在合理選擇氣相流動、固相流動、煤燃燒以及NOx生成等模型的同時，通過對壁面條件的近似處理，探討了煤粉在壁面處的運動情況，并以此為基礎(chǔ)考察了燃燒場的兩相流動特性，模擬了燃燒器內(nèi)煤粉的

4、燃燒過程以及各物理量的分布。在與實驗比較的基礎(chǔ)上，對燃燒器的結(jié)構(gòu)進行改進，為液排渣煤粉燃燒模型的開發(fā)和完善奠定基礎(chǔ)。 根據(jù)CFD軟件計算結(jié)果對燃燒器進行了改進，進行新一代燃燒器的熱態(tài)試驗研究，測量了不同化學計量比下的溫度、濃度分布，特別是得出了灰渣捕集率和飛灰濃度排放的定量結(jié)果，為低塵燃燒器的開發(fā)和數(shù)學模型的構(gòu)建提供了有用的熱態(tài)試驗數(shù)據(jù)。更為重要的是從計算結(jié)果和試驗現(xiàn)象的分析比較中發(fā)現(xiàn)常規(guī)的煤粉計算程序不能正確地模擬和解析液排渣

5、情況下灰渣的沉積、流動以及顆粒的附壁燃燒等近壁特性，存在計算功能上的明顯不足。針對現(xiàn)有煤粉計算程序的缺陷，本文對燃燒器內(nèi)的顆粒近壁燃燒現(xiàn)象建立了研究理論和數(shù)值模型，并將此模型引入煤粉燃燒的計算實踐，建立了具有煤粉空間燃燒和近壁、附壁燃燒多功能的計算框架，自主編制和開發(fā)了計算軟件。首先將學者們在研究電廠鍋爐積灰、結(jié)渣過程而開發(fā)的灰沉積模型進行分析和選擇，經(jīng)過總結(jié)得出的模型計算式能分別對煤中揮發(fā)分、焦炭、灰分的沉積分額進行定量化模擬；在此基

6、礎(chǔ)上，分析了同一計算組內(nèi)顆粒由于沉積作用不斷從空間燃燒狀態(tài)脫離、進入附壁燃燒狀態(tài)的現(xiàn)象，提出了“群分化”的計算思想，根據(jù)不同的沉積位置和時間將初始的計算組分化為一個“空間組”和多個“沉積組”；對分化后的每個沉積組，結(jié)合傳熱學、材料學和燃燒學原理，構(gòu)建了單組顆粒的壁上燃燒模型，通過對顆粒的有效直徑、有效表面積及有效溫度的計算，求出附壁顆粒中焦炭的燃燒速率和揮發(fā)分的釋放速率，進而得出顆粒附壁燃燒所產(chǎn)生的動量、質(zhì)量以及能量源項，代入氣相方程中

7、進行迭代；考慮到液渣層的存在會增加通過壁面的傳熱熱阻，對燃燒狀況有很重要的影響，同時沉積組顆粒的速度也與液渣的流動速度有關(guān)，構(gòu)建了二維軸對稱的液渣流動模型，總結(jié)出幾個關(guān)鍵參數(shù)對液渣流動特性進行了分析，推導出渣膜厚度和流動速度的計算式，并通過附加傳熱熱阻的計算，實現(xiàn)了對氣相能量方程的壁面?zhèn)鳠釛l件的自動修正。本章最后將構(gòu)建的新模型植入到總體的計算框架中，對計算示例內(nèi)的顆粒沉積、顆粒附壁燃燒、液渣流動及灰渣捕集特性進行模擬，顯示了較強的計算功

8、能。 針對附壁燃燒、焦炭還原氣化反應、顆粒燃燒狀態(tài)(尺寸變化)等因素的影響，本文的第六章對編制的WBSF-PCC(WallBurningandSlagFlowinPulverizedCoalCombustion)程序進行了模型精度的討論，然后將計算數(shù)據(jù)與實際燃燒器內(nèi)的溫度、濃度、顆粒燃盡率及捕渣率等試驗數(shù)據(jù)進行比較，所得結(jié)果的模擬精度顯著高于商業(yè)軟件。 最后，作為煤粉低塵燃燒技術(shù)應用的拓展，本文提出將煤粉低塵燃燒技術(shù)和混

9、燒技術(shù)相結(jié)合的思路，并利用成功開發(fā)的燃燒計算程序?qū)嶋H燃燒器內(nèi)煤和木粉的混燒過程進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：適量木粉的添加可以提高燃燒初始段的溫度，有利于充分利用燃燒器的前部空間；可以加大燃燒初始階段的反應速度，改善煤粉的著火性能，提高煤粉的空間燃盡及附壁燃盡效果，有利于顆粒在有限的空間里進行充分的燃燒及燃燒裝置的小型化；有利于在燃燒器開始段形成連續(xù)的渣膜，保持燃燒工況的穩(wěn)定。結(jié)論從理論角度證明了將混燒技術(shù)和低塵燃燒技術(shù)相結(jié)合并用于工業(yè)窯